ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ ТИПА АППАРАТА ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА Российский патент 2005 года по МПК F28D1/02 

Изобретение относится к области энергетики и может найти применение в теплообменных аппаратах типа аппарата воздушного охлаждения (АВО) газа.

В общем случае АВО представляет собой аппарат, состоящий из двух основных частей: поверхности охлаждения (теплообменные секции) и системы подачи воздуха.

Известен теплообменный аппарат типа аппарата воздушного охлаждения газа, содержащий теплообменные секции, закрепленные в трубных решетках, с камерами подвода и отвода теплоносителя, вентиляторы с приводом и опорную металлоконструкцию (RU 2075714).

Известны теплообменные аппараты типа аппарата воздушного охлаждения с горизонтальным расположением теплообменных секций нагнетательного типа, в которых вентилятор расположен до теплообменной секции по ходу движения воздуха (RU 2200907). Теплообменные аппараты такого типа являются более простыми и удобными в обслуживании, но занимают большие площади и являются более металлоемкими и потребляют много энергии.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату заявляемого устройства является теплообменный аппарат типа воздушного охлаждения природного газа с коллекторами входа и выхода продукта 2АВГ-75(100), предназначенный для охлаждения газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов (см. В.Б.Кунтыш, А.Н.Бессонный и др. Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения. - С/П: Недра, 1996, с.84-85, рис.2.37). Теплообменный аппарат типа аппарата воздушного охлаждения газа состоит из горизонтально расположенных секций коллекторного типа, собранных из оребренных биметаллических труб, которые обдуваются потоком воздуха, нагнетаемого снизу осевыми вентиляторами с приводами от тихоходных электродвигателей. Теплообменные секции включают камеры подвода и отвода охлаждаемого газа, содержащие трубные доски с отверстиями, в которые заделаны концы оребренных теплообменных труб. Материал теплообменных труб: внутренних - сталь, оребрения - алюминий.

Недостатками известных теплообменных аппаратов типа АВО являются большое энергопотребление, значительная металлоемкость и трудоемкость изготовления, что делает их дорогими в изготовлении и эксплуатации. Большая протяженность труб, а также большие габариты и вес аппарата в целом приводят к большому расходу материала. Значительно высокая потребляемая мощность привода вентилятора вызвана большим аэродинамическим сопротивлением воздуха при движении его через пучок теплообменных труб. Кроме этого, воздух, набегающий на трубный пучок, имеет неравномерное скоростное поле, что не позволяет эффективно использовать всю теплообменную поверхность. Низкая скорость нагретого воздуха на выходе из теплообменных секций может привести к рециркуляции, то есть к обратному току воздушного потока в зону разрежения на всасе вентилятора, и, следовательно, к энергетическим потерям. К значительным потерям мощности на перемещение теплоносителя (охлаждаемого природного газа) по трубам также приводит увеличение гидравлического сопротивления при распределении газа по трубам пучка из камеры его подвода. Работа отдельных узлов теплообменного аппарата типа АВО, а именно коллекторов, подводящих и отводящих газ, трубных камер и собственно пучка оребренных теплообменных труб под давлением приводит к чрезмерным нагрузкам на элементы конструкции, расположенные в областях высокого давления, и к дополнительным гидравлическим потерям, связанным с неравномерностью потока газа, подаваемого на охлаждение. Работа в условиях агрессивных сред также требует использования в АВО коррозионностойких материалов, обеспечивающих его работоспособность в этих условиях.

Задачей настоящего изобретения является повышение экономичности теплообменного аппарата воздушного охлаждения газа.

Поставленная задача решается за счет того, что теплообменный аппарат типа аппарата воздушного охлаждения газа, согласно изобретению, содержит устройство для забора и подачи в зону пучка теплообменных труб внешней теплообменной среды, выполненное в виде открытого с торцов сосуда, который образован в зоне расположения теплообменных труб боковыми и торцевыми стенками теплообменной секции аппарата и многорядным пучком теплообменных труб, а на входе выполнен с многоустьевым сечением, образованным устьями кожухов вентиляторов для нагнетания охлаждающей среды, каждый из которых содержит диффузор с круглым поперечным сечением в зоне размещения вентилятора и многоугольным, преимущественно прямоугольным поперечным сечением в зоне примыкания к теплообменной секции, с, по крайней мере, двумя противоположными кромками, примыкающими к соответствующим контактным участкам боковых стен теплообменной секции, при этом боковые стены с внутренней стороны сосуда снабжены продольными обтекателями-вытеснителями в виде элементов, образующих в сосуде протяженные выступы, по крайней мере, на большей части длины внутренней поверхности стен сосуда, а торцевые стены сосуда, по крайней мере, на части их высоты, составляющей 0,5-0,85 высоты боковых стен, образованы трубными досками камер входа и выхода газа теплообменной секции, которые установлены на разновысокие опоры, выполненные в концевых участках боковых стен сосуда, при этом отношение суммарной площади многоустьевого сечения на входе в сосуд, образованного устьями кожухов вентиляторов в составе сосуда к площади сечения сосуда на выходе из него составляет по габаритным размерам сосуда ∑F_ниж:F_{бр.верхн}=0,42-0,9, а в плоскости аэродинамического затенения, создаваемого верхним рядом теплообменных труб пучка, указанное соотношение составляет 0,51±11,5%, где ∑F_ниж - суммарная площадь многоустьевого сечения на входе в сосуд, м²; F_{бр.верхн} - габаритная площадь рабочего сечения сосуда в верхней его части без учета аэродинамического затенения, создаваемого теплообменными трубами пучка, м².

При этом перепад в уровнях нижних отметок участков противоположных торцевых стен сосуда, образованных трубными досками камер входа и выхода газа, может составлять 0,002-0,009 длины продольных стен сосуда.

Кроме того, каждое устье многоустьевого входа в сосуд может быть выполнено в виде коллектора плавного входа переменной кривизны в продольном сечении с конфигурацией, по крайней мере, со стороны внутренней поверхности, например, по лемнискате и преимущественно круглым в плане, причем входное устье кожуха в зоне перехода коллектора плавного входа в диффузор может быть выполнено диаметром, составляющим 0,6-0,95 ширины теплообменной секции.

При этом сосуд может быть выполнен под число кожухов под вентиляторы и соответствующее им число устьев, составляющее от двух до пяти, а вентиляторы для нагнетания в сосуд охлаждающей среды, преимущественно воздуха, могут быть выполнены преимущественно двух- или трехлопастными с регулируемым изменением угла поворота лопастей, с приводом колеса вентилятора преимущественно прямым, безредукторным от тихоходного электродвигателя, его мощностью, составляющей предпочтительно 2,5-12,0 кВт и номинальной частотой вращения предпочтительно 290-620 мин^-1.

Кроме того, верхняя часть сосуда может быть выполнена в виде теплообменной секции преимущественно в форме прямоугольной панели, а число рядов теплообменных труб, расположенных по высоте панели, может составлять от 4 до 14, и в ряду может быть размещено от 21 до 98 труб при номинальной длине труб в секции от 6 до 24 м, причем трубы могут быть выполнены преимущественно биметаллическими, с внешним слоем и оребрением из материала с более высокой относительно внутреннего слоя теплопроводностью, преимущественно из алюминиевого сплава.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в повышении экономичности теплообменного аппарата воздушного охлаждения газа за счет разработанных в изобретении конструктивных решений стен сосуда, обеспечивающих лучшую аэродинамику прохождения охлаждающей среды, в том числе в пристенных зонах сосуда, а также высокой адаптивности системы сосуда к сезонным изменениям внешней среды и масс охлаждаемого газа, пропускаемого через пучок теплообменных труб сосуда, за счет оптимизации соотношения параметров проходных сечений сосуда и всего аппарата в целом.

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображен сосуд для охлаждающей среды аппарата воздушного охлаждения газа, вид сбоку;

на фиг.2 - то же, вид с торца;

на фиг.3 - то же, вид по А-А на фиг.1.

Теплообменный аппарат типа аппарата воздушного охлаждения газа состоит из верхней 1 и нижней 2 частей. Верхняя часть 1 сосуда выполнена в виде теплообменной секции 3 преимущественно в форме прямоугольной панели 4 и образована боковыми 5 и торцевыми 6 стенами теплообменной секции 3 аппарата и многорядным пучком 7 теплообменных труб 8. Число рядов 9 теплообменных труб 8, расположенных по высоте панели 4, может составлять от 4 до 14, и в ряду 9 может быть размещено от 21 до 98 труб 8 при номинальной длине труб 8 в секции 3 от 6 до 24 м. Трубы 8 могут быть выполнены преимущественно биметаллическими, с внешним слоем и оребрением из материала с более высокой относительно внутреннего слоя теплопроводностью, преимущественно из алюминиевого сплава.

Нижняя часть 2 сосуда образована кожухом 10, по крайней мере, одного вентилятора 11, содержащего диффузор 12 с круглым поперечным сечением в зоне 13 размещения вентилятора 11 и многоугольным, преимущественно прямоугольным в зоне 14 примыкания к теплообменной секции 3. Сосуд выполнен под число кожухов 10 под вентиляторы 11 и соответствующее им число устьев, составляющее от двух до пяти.

Вентиляторы 11 могут быть выполнены преимущественно двух- или трехлопастными с регулируемым изменением угла поворота лопастей 15, с приводом колеса вентилятора преимущественно прямым, безредукторным от тихоходного электродвигателя 16, с мощностью, составляющей предпочтительно 2,5-12,0 кВт и номинальной частотой вращения предпочтительно 290-620 мин^-1.

Боковые стены 5 с внутренней стороны сосуда снабжены продольными обтекателями-вытеснителями 17 в виде элементов, образующих в сосуде протяженные выступы, по крайней мере, на большей части длины поверхности стены 5, обращенной в сосуд в приграничной зоне 18 расположения пучка 7 теплообменных труб 8. Торцевые стены 6 сосуда, по крайней мере, на части их высоты, составляющей 0,5 - 0,7 высоты боковых стен 5, образованы трубными досками 19 камер входа 20 и выхода 21 газа теплообменной секции 3, которые установлены на разновысокие опоры 22, выполненные в концевых участках боковых стен сосуда. Перепад в уровнях нижних отметок участков противоположных торцевых стен 6 сосуда, образованных трубными досками 19 камер входа 21 и выхода 22 газа, может составлять 0,002-0,009 длины продольных стен 5 сосуда.

Устьями кожухов 10 вентиляторов 11 образован многоустьевый вход 23 в сосуд. Каждое устье 24 многоустьевого входа 23 может быть выполнено в виде коллектора 25 плавного входа переменной кривизны в продольном сечении с конфигурацией, по крайней мере, со стороны внутренней поверхности, например, по лемнискате и преимущественно круглым в плане. Входное устье 26 кожуха в зоне перехода коллектора 25 плавного входа в диффузор 12 может быть выполнено диаметром, составляющим 0,6-0,95 ширины теплообменной секции 3.

При этом отношение суммарной площади многоустьевого сечения на входе в сосуд, образованного устьями 24 кожухов 10 вентиляторов 11 в составе сосуда, к площади сечения сосуда на выходе из него составляет по габаритным размерам сосуда ∑F_ниж:F_{бр.верхн}=0,42-0,9, а в плоскости аэродинамического затенения, создаваемого верхним рядом 27 труб 8 пучка 7, указанное соотношение составляет 0,51±11,5%, где ∑F_ниэ - суммарная площадь многоустьевого сечения на входе в сосуд, м²; F_{бр.верхн} - габаритная площадь рабочего сечения сосуда в верхней его части 28 без учета аэродинамического затенения, создаваемого теплообменными трубами 8 пучка 7, м².

Теплообменный аппарат типа аппарата воздушного охлаждения газа двухсекционного с 6 вентиляторами работает следующим образом. При подаче охлаждающего теплоносителя (воздуха) температурой 27°С на пучок оребренных теплообменных труб каждой секции, по которым транспортируют охлаждаемый природный газ на входе в АВО с давлением 8,35 МПа и входной после компримирования температурой 60°С, происходит обтекание пучка труб воздухом и контактный теплообмен с охлаждением газа на выходе до 40°С при потерях давления по газу менее 0,03 МПа. При этом за счет оптимизации параметров подвода и отвода воздуха повышаются теплоаэродинамические характеристики, улучшаются аэродинамические условия обтекания пучка охлаждающим теплоносителем и экономическая эффективность аппарата в целом.

Таким образом, изобретение обеспечивает экономичную работу заявленного аппарата за счет снижения аэродинамического сопротивления в кожухе сосуда и в межтрубном пространстве, равномерного распределения потока охлаждающего воздуха по всей поверхности теплообменной секции и исключения обратного тока воздуха.

Изобретение предназначено для применения в области энергетики, а именно в теплообменных аппаратах типа аппарата воздушного охлаждения (АВО) газа. Теплообменный аппарат типа аппарата воздушного охлаждения газа содержит устройство для забора и подачи в зону пучка теплообменных труб внешней теплообменной среды, выполненное в виде открытого с торцов сосуда, который образован в зоне расположения теплообменных труб боковыми и торцевыми стенами теплообменной секции аппарата и многорядным пучком теплообменных труб, а на входе выполнен с многоустьевым сечением, образованным устьями кожухов вентиляторов для нагнетания охлаждающей среды, каждый из которых содержит диффузор с круглым поперечным сечением в зоне размещения вентилятора и многоугольным, преимущественно прямоугольным, поперечным сечением в зоне примыкания к теплообменной секции с, по крайней мере, двумя противоположными кромками, примыкающими к соответствующим контактным участкам боковых стен теплообменной секции, при этом боковые стены с внутренней стороны сосуда снабжены продольными обтекателями-вытеснителями в виде элементов, образующих в сосуде протяженные выступы, по крайней мере, на большей части длины внутренней поверхности стены сосуда, а торцевые стены сосуда, по крайней мере, на части их высоты, составляющей 0,5-0,85 высоты боковых стен, образованы трубными досками камер входа и выхода газа теплообменной секции, которые установлены на разновысокие опоры, выполненные в концевых участках боковых стен сосуда, при этом отношение суммарной площади многоустьевого сечения на входе в сосуд, образованного устьями кожухов вентиляторов в составе сосуда, к площади сечения сосуда на выходе из него составляет по габаритным размерам сосуда ∑F_ниж:F_{бр.верхн}=0,42-0,9, а в плоскости аэродинамического затенения, создаваемого верхним рядом теплообменных труб пучка, указанное соотношение составляет 0,51±11,5%, где ∑F_ниж - суммарная площадь многоустьевого сечения на входе в сосуд, м²; F_{бр.верхн} - габаритная площадь рабочего сечения сосуда в верхней его части без учета аэродинамического затенения, создаваемого теплообменными трубами пучка, м². Изобретение позволяет повысить экономичность теплообменного аппарата воздушного охлаждения газа за счет конструктивных решений стен сосуда, обеспечивающих лучшую аэродинамику прохождения охлаждающей среды, в том числе в пристенных зонах сосуда, а также в высокой адаптивности системы сосуда к сезонным изменениям внешней среды и масс охлаждаемого газа, пропускаемого через пучок теплообменных труб сосуда, за счет оптимизации соотношения параметров проходных сечений сосуда и всего аппарата в целом. 4 з.п. флы, 3 ил.

1. Теплообменный аппарат типа аппарата воздушного охлаждения газа, характеризующийся тем, что он содержит устройство для забора и подачи в зону пучка теплообменных труб внешней теплообменной среды, выполненное в виде открытого с торцов сосуда, который образован в зоне расположения теплообменных труб боковыми и торцевыми стенами теплообменной секции аппарата и многорядным пучком теплообменных труб, а на входе выполнен с многоустьевым сечением, образованным устьями кожухов вентиляторов для нагнетания охлаждающей среды, каждый из которых содержит диффузор с круглым поперечным сечением в зоне размещения вентилятора и многоугольным, преимущественно прямоугольным, поперечным сечением в зоне примыкания к теплообменной секции с, по крайней мере, двумя противоположными кромками, примыкающими к соответствующим контактным участкам боковых стен теплообменной секции, при этом боковые стены с внутренней стороны сосуда снабжены продольными обтекателями-вытеснителями в виде элементов, образующих в сосуде протяженные выступы, по крайней мере, на большей части длины внутренней поверхности стены сосуда, а торцевые стены сосуда, по крайней мере, на части их высоты, составляющей 0,5-0,85 высоты боковых стен, образованы трубными досками камер входа и выхода газа теплообменной секции, которые установлены на разновысокие опоры, выполненные в концевых участках боковых стен сосуда, при этом отношение суммарной площади многоустьевого сечения на входе в сосуд, образованного устьями кожухов вентиляторов в составе сосуда, к площади сечения сосуда на выходе из него составляет по габаритным размерам сосуда ∑F_ниж:F_{бр.верхн}=0,42-0,9, а в плоскости аэродинамического затенения, создаваемого верхним рядом теплообменных труб пучка, указанное соотношение составляет 0,51±11,5%, где ∑F_ниж - суммарная площадь многоустьевого сечения на входе в сосуд, м²; F_{бр.верхн} - габаритная площадь рабочего сечения сосуда в верхней его части без учета аэродинамического затенения, создаваемого теплообменными трубами пучка, м².2. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что перепад в уровнях нижних отметок участков противоположных торцевых стен сосуда, образованных трубными досками камер входа и выхода газа, составляет 0,002-0,009 длины продольных стен сосуда.3. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что каждое устье многоустьевого входа в сосуд выполнено в виде коллектора плавного входа переменной кривизны в продольном сечении с конфигурацией, по крайней мере, со стороны внутренней поверхности, например, по лемнискате, и преимущественно круглым в плане, причем входное устье кожуха в зоне перехода коллектора плавного входа в диффузор выполнено диаметром, составляющим 0,6-0,95 ширины теплообменной секции.4. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что он выполнен под число кожухов под вентиляторы и соответствующее им число устьев, составляющее от двух до пяти, а вентиляторы для нагнетания в сосуд охлаждающей среды, преимущественно воздуха, выполнены преимущественно двух- или трехлопастными с регулируемым изменением угла поворота лопастей, с приводом колеса вентилятора преимущественно прямым, безредукторным от тихоходного электродвигателя мощностью, составляющей предпочтительно 2,5-12,0 кВт и номинальной частотой вращения предпочтительно 290-620 мин^-1.5. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что верхняя часть сосуда выполнена в виде теплообменной секции преимущественно в форме прямоугольной панели, а число рядов теплообменных труб, расположенных по высоте панели, составляет от 4 до 14 и в ряду размещено от 21 до 98 труб при номинальной длине труб в секции от 6 до 24 м, причем трубы выполнены преимущественно биметаллическими с внешним слоем и оребрением из материала с более высокой относительно внутреннего слоя теплопроводностью, преимущественно из алюминиевого сплава.